JP2009155405A - アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物とそれを用いた半導体装置 - Google Patents

Abstract

【課題】密着強度に優れ、温度サイクル試験や吸湿環境下における耐熱性にも優れたアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物とそれを用いた半導体装置を提供する。
【解決手段】常温で液状のエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分とするアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物であって、ポリイミドシリコーン樹脂を含有することを特徴とする。
【選択図】なし

Description

本発明は、アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物とそれを用いた半導体装置に関するものである。

近年、樹脂封止型半導体装置は、高密度化、高集積化、および動作の高速化の傾向にあり、従来型のパッケージよりもさらに小型化、薄型化できる半導体チップのパッケージが要求されているが、このような要求に対応するものとしてフリップチップ実装が一般に採用されている。

フリップチップ実装では、半導体チップの外部接続用パッドにバンプ電極を直接形成し、このバンプ電極を用いて回路基板にフェースダウンで接続、搭載する。そして半導体チップと回路基板の間隙にはアンダーフィル材が充填される（特許文献１、２参照）。アンダーフィル材は、半導体チップと回路基板間の熱膨張率の差異によって発生するはんだ接合部の応力を緩和し、耐湿性、気密性を確保するなどの機能を有している。

このような構造のため、実装面積は半導体チップとほぼ同じ面積で済み、さらにバンプの高さは通常数十μｍ以下と低く、ワイヤボンディング接続の場合のようにワイヤまで樹脂封止する必要がないので実装後の高さも低くすることができ、小型化、薄型化などの要求に応えることができる。

従来、フリップチップ実装に用いられるアンダーフィル材としては液状のエポキシ樹脂組成物などが代表的なものとして用いられている。そしてこの液状エポキシ樹脂組成物には、半導体チップおよび回路基板との密着性が要求される場合には密着付与剤としてカップリング剤が配合される。
特開２００４−０１８７１８号公報 特開２００７−２２４１２４号公報

しかしながら、密着付与剤としてカップリング剤を配合すると、温度サイクル試験における耐熱性や、吸湿環境下における耐熱性の低下が起こるという問題点があった。

本発明は、以上の通りの事情に鑑みてなされたものであり、密着強度に優れ、温度サイクル試験や吸湿環境下における耐熱性にも優れたアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物とそれを用いた半導体装置を提供することを課題としている。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下のことを特徴としている。

第１に、本発明のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物は、常温で液状のエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分とするアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物であって、ポリイミドシリコーン樹脂を含有することを特徴とする。

第２に、上記第１のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物において、ポリイミドシリコーン樹脂の配合量が、組成物全量に対して０．０５〜１０質量％の範囲であることを特徴とする。

第３に、本発明の半導体装置は、上記第１または第２のいずれかのアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップと回路基板との間が封止されていることを特徴とする。

上記第１の発明によれば、ポリイミドシリコーン樹脂を配合することにより半導体チップおよび回路基板との密着性が向上し、さらに、温度サイクル試験における耐熱性や、吸湿環境下における耐熱性を高めることができる。

上記第２の発明によれば、組成物全量に対してポリイミドシリコーン樹脂を特定量配合することにより、上記第１の発明の効果に加え、半導体チップおよび回路基板との密着性が大幅に向上し、さらに、温度サイクル試験における耐熱性や、吸湿環境下における耐熱性を大幅に高めることができる。

上記第３の発明によれば、上記第１または第２のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物を用いることにより、半導体チップおよび回路基板とアンダーフィル材との密着性に優れ、温度サイクル試験における耐熱性や、吸湿環境下における耐熱性にも優れた信頼性の高い半導体装置とすることができる。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明で用いられる常温（２５℃）で液状のエポキシ樹脂は、１分子内に２官能基以上のエポキシ基を有するものであり、その具体例としては、ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ビスフェノールＦ型エポキシ樹脂等のビスフェノール型エポキシ樹脂、オルトクレゾールノボラック型エポキシ樹脂等のクレゾールノボラック型エポキシ樹脂などが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用してもよい。

本発明で用いられる硬化剤の具体例としては、ジアミノジフェニルメタン、メタフェニレンジアミン等のアミン系硬化剤、無水フタル酸、無水ピロメリット酸等の酸無水物系硬化剤、フェノールノボラック樹脂等のフェノール系硬化剤などが挙げられる。

硬化剤の配合量は、好ましくは、硬化剤のエポキシ樹脂に対する化学量論上の当量比（硬化剤当量／エポキシ基当量）が０．６〜１．４となる量であり、より好ましくは当量比が０．７５〜１．０となる量である。当量比が小さ過ぎると、硬化不足、硬化物の耐熱性低下、硬化物の強度低下などを生じる場合がある。一方、当量比が大き過ぎると、硬化物の耐熱性低下、硬化物の吸湿量の増加などを生じる場合がある。

本発明で用いられる硬化促進剤の具体例としては、１，８−ジアザビシクロ（５，４，０）−７−ウンデセン等の第三級アミン、２−メチルイミダゾール、２−フェニル−４−メチルイミダゾール、２−フェニルイミダゾール等のイミダゾール系化合物、およびマイクロカプセル型硬化促進剤などが挙げられる。

マイクロカプセル型硬化促進剤とは、イミダゾール系化合物またはリン系化合物を核として、この核の周囲を熱硬化性樹脂などの被膜で被覆することによって得られる平均粒子径０．５〜１０μｍ程度の微細球粒子のことであり、潜在性の硬化促進剤として作用する。

硬化促進剤の配合量は、アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物全量に対して、好ましくは０．３〜５質量％である。当該配合量が過少であるとゲル化時間の遅延をもたらす場合があり、一方、当該配合量が過剰であると、硬化の進行が早くなり過ぎる場合がある。

本発明において、無機充填材としては、特に制限なく適宜のものを用いることができ、その具体例としては、溶融シリカ、結晶シリカ、微粉シリカ、アルミナ、窒化珪素、マグネシアなどが挙げられる。これらは１種単独で用いてもよく、２種以上を併用して用いてもよい。中でも、低粘度化と流動特性の向上の点からは、球状の溶融シリカが好ましい。球状の溶融シリカの平均粒子径は、好ましくは０．２〜３０μｍ、より好ましくは０．２〜５μｍである。なお、平均粒子径はレーザー回折・散乱法などにより測定することができる。

無機充填材の配合量は、アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物の全量に対して好ましくは３０〜７５質量％である。無機充填材の配合量が過少であると、熱膨張係数が大きくなり半導体装置の信頼性が低下する場合がある。無機充填材の配合量が過剰であると、粘度が高くなり半導体チップと回路基板との間隙への充填性が低下する場合がある。

本発明のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物には、ポリイミドシリコーン樹脂が配合される。ポリイミドシリコーン樹脂は、ポリイミド樹脂のポリマー構造内にシロキサン構造を有する樹脂であり、たとえばジアミノシロキサン、あるいは分子内にシロキサン構造を有するテトラカルボン酸化合物などのモノマーに由来する構成単位を含むものが例示される。たとえば、芳香族テトラカルボン酸化合物、脂環式テトラカルボン酸化合物などのテトラカルボン酸化合物と芳香族ジアミンとジアミノシロキサンとの反応生成物であるポリミック酸の閉環誘導体であるポリイミドシリコーン樹脂などが挙げられる。

ポリイミドシリコーン樹脂の配合量は、アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物の全量に対して好ましくは０．０５〜１０質量％、より好ましくは０．５〜５質量％の範囲である。当該配合量が過少であると、密着付与効果、耐熱性付与効果が十分に得られない場合があり、当該配合量が過剰であると、耐リフロー性が低下する場合がある。

本発明のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物には、本発明の効果を損なわない範囲内において、さらに他の添加剤を配合することができる。このような添加剤の具体例としては、難燃剤、顔料、溶剤、反応性希釈剤、レベリング剤、消泡剤、カップリング剤などが挙げられる。

本発明のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物は、たとえば、次の手順で製造することができる。エポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、ポリイミドシリコーン樹脂、およびその他の添加剤を同時にまたは別々に配合し、必要に応じて加熱処理や冷却処理を行いながら、撹拌、溶解、混合、分散を行う。次いで、この混合物に無機充填材を加え、必要に応じて加熱処理や冷却処理を行いながら、再度、撹拌、混合、分散を行うことにより、本発明のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物を得ることができる。

上記の撹拌、溶解、混合、分散には、ディスパー、プラネタリーミキサー、ボールミル、３本ロールなどを組み合わせて用いることができる。

本発明の半導体装置は、上記のようにして得られたアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物により、ＩＣチップ、ＬＳＩチップなどの半導体チップと回路基板との間を封止することにより製造することができる。たとえば、セラミック基板やＦＲグレードなどの回路基板の回路パターン面に多数のバンプを介して半導体チップが搭載されたもののバンプ間の間隙に本発明のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物をディスペンサーなどを用いて塗布、充填した後、加熱硬化し、次いで、半導体チップ全体の封止を行うなどの後工程を経て、フリップチップ実装による半導体装置を製造することができる。

なお、加熱硬化の条件は、特に限定されるものではなくアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物の配合組成などに応じて適宜に変更すればよいが、たとえば１２０〜１７０℃、０．５〜５時間である。

本発明の半導体装置におけるパッケージ形態の具体例としては、ＢＧＡ（Ball Grid Array）、ＣＳＰ（Chip Size Package）などが挙げられる。

以下、実施例により本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例に何ら限定されるものではない。なお、表１に示す配合量は質量部を表す。

表１に示す配合量で各成分が配合されたアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物を、各配合成分を常法に従って撹拌、溶解、混合、分散することにより調製した。

表１に示す配合成分として、以下のものを使用した。
常温で液状のエポキシ樹脂：ビスフェノールＡ型エポキシ樹脂、ジャパン・エポキシレジン（株）製、エピコート８２８、エポキシ当量 １８９
硬化剤：新日本理化（株）製、ＭＨ−７００
硬化促進剤：四国化成工業（株）製、２Ｅ４ＭＺ−ＣＮ
無機充填材：扶桑化学（株）製、ＳＰ４Ｂ
ポリイミドシリコーン樹脂：信越化学工業（株）製、Ｘ２２−８８９１
カップリング剤：信越化学工業（株）製、ＫＢＭ−４０３
以上のようにして調製した実施例１〜５および比較例１のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物について下記の評価を行った。
[密着性試験]
アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物をセラミック基板に塗布し、ポリイミド膜コートを施した２ｍｍ角のシリコンチップを塗布面上に設置し、１５０℃、２時間の条件でアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物を硬化させることでセラミック基板にシリコンチップを密着させた。得られた基板について、（株）アークテック製のボンドテスターシリーズ４０００を用いて密着性試験を行い、密着性を下記の判別基準により評価した。
○：７５ＭＰａ以上
△：７０ＭＰａ以上７５ＭＰａ未満
×：７０ＭＰａ未満
[温度サイクル（ＴＣ）試験]
半導体チップとして、ＣＭＯＳゲートアレイ素子（チップサイズ０．４ｍｍ厚、７ｍｍ角）を用い、回路基板として、ＦＲ−５の回路基板を用いた。半導体チップを回路基板に金バンプにより実装した後、アンダーフィル用エポキシ樹脂組成物を半導体チップと回路基板との間に注入充填し、１５０℃、２時間で硬化させることにより半導体装置を製造した。

硬化後の半導体装置について電気的動作を行い、その結果が良品であったものについて、−５５℃で５分、室温で５分、１５０℃で５分を１サイクルとする液相の温度サイクル試験を行い、１０００サイクル後の半導体装置の動作確認を行い、良否を判定した。１０個の供試サンプル中の不良数が０〜３個の場合を○、４〜６個の場合を△、７〜１０個の場合を×として評価した。

また、同サンプルの外観検査を行い、樹脂フィレット部にクラックが発生しているかどうかを確認した。クラック発生したサンプルの個数が０〜３個の場合を○、４〜６個の場合を△、７〜１０個の場合を×として評価した。
[ＰＣＴ（プレッシャークッカー）試験]
上記と同様に、硬化後の半導体装置について電気的動作を行い、その結果が良品であったものについて、２気圧、１２１℃のプレッシャークッカー試験を行い、１６８時間後の半導体装置の動作確認を行い、良否を判定した。１０個の供試サンプル中の不良数が０〜３個の場合を○、４〜６個の場合を△、７〜１０個の場合を×として評価した。

評価結果を表１に示す。

表１より、ポリイミドシリコーン樹脂を配合した実施例１〜５のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物は、密着性に優れ、温度サイクル試験における耐熱性と吸湿環境下における耐熱性も良好であった。

一方、ポリイミドシリコーン樹脂を配合せず、密着付与剤としてカップリング剤を配合した比較例１のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物では、温度サイクル試験における耐熱性や吸湿環境下における耐熱性等が実施例１〜５に比べて低下した。

Claims (3)

1. 常温で液状のエポキシ樹脂、硬化剤、硬化促進剤、および無機充填材を必須成分とするアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物であって、ポリイミドシリコーン樹脂を含有することを特徴とするアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物。
2. ポリイミドシリコーン樹脂の配合量が、組成物全量に対して０．０５〜１０質量％の範囲であることを特徴とする請求項１に記載のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物。
3. 請求項１または２に記載のアンダーフィル用エポキシ樹脂組成物を用いて半導体チップと回路基板との間が封止されていることを特徴とする半導体装置。